-
UNIVERSIDAD ESTATAL
PENÍNSULA DE SANTA ELENA
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIÓN PARA TANQUES
METÁLICOS DE ALMACENAMIENTO DE DERIVADOS DEL
PETRÓLEO Y PARA BASE DE BOMBA, DE SUELOS
CARACTERÍSTICOS DE LA REFINERÍA LA LIBERTAD”.
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Previo a la obtención del título de:
INGENIERO(A) CIVIL
AUTOR (ES):
GONZABAY CARVAJAL JUAN GUSTAVO
TUTOR:
ING. MORENO ALCIVAR LUCRECIA CRISTINA, Mg.
La Libertad, Ecuador
2019
-
UNIVERSIDAD ESTATAL
PENÍNSULA DE SANTA ELENA
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIÓN PARA TANQUES
METÁLICOS DE ALMACENAMIENTO DE DERIVADOS DEL
PETRÓLEO Y PARA BASE DE BOMBA, DE SUELOS
CARACTERÍSTICOS DE LA REFINERÍA LA LIBERTAD”.
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Previo la obtención de título de:
INGENIERO(A) CIVIL
AUTOR (ES):
GONZABAY CARVAL JUAN GUSTAVO
TUTOR:
ING. MORENO ALCIVAR LUCRECIA CRISTINA, Mg.
La Libertad, Ecuador
2019
-
CERTIFICACIÓN
Certificamos que el presente trabajo de titulación, fue
realizado en su totalidad
por Gonzabay Carvajal Juan Gustavo, como requerimiento para la
obtención del
título de Ingeniero Civil.
TUTOR (A)
f.______________________
Ing. Moreno Alcívar Lucrecia Cristina, Mg.
DIRECTOR DE LA CARRERA
f.______________________
Arq. Rubira Gómez Gilda Graciela, MSc.
La Libertad, a los veintinueve días del mes de enero del año
2020.
-
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del Trabajo de Titulación, modalidad
Proyecto de
Investigación “ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIÓN PARA TANQUES
METÁLICOS DE ALMACENAMIENTO DE DERIVADOS DEL PETRÓLEO Y PARA
BASE DE BOMBA, DE SUELOS CARACTERÍSTICOS DE LA REFINERÍA LA
LIBERTAD”, elaborado por el Sr. GONZABAY CARVAJAL JUAN
GUSTAVO,
egresado de la carrera de Ingeniería Civil, Facultad de Ciencias
de la Ingeniería de
la Universidad Estatal Península de Santa Elena, previo a la
obtención del título de
Ingeniero Civil, me permito declarar que luego de haberla
dirigido, estudiado y
revisado, la apruebo en su totalidad.
TUTOR (A)
f.______________________
Ing. Moreno Alcívar Lucrecia Cristina, Mg.
La Libertad, a los veintinueve días del mes de enero del año
2020.
-
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD
Yo, Gonzabay Carvajal Juan Gustavo.
DECLARO QUE:
El Trabajo de Titulación, “Análisis y diseño de cimentación para
tanques
metálicos de almacenamiento de derivados del petróleo y para
base de bomba, de
suelos característicos de la refinería la libertad”, previo a la
obtención del título de
Ingeniero Civil, ha sido desarrollado respetando derechos
intelectuales de terceros
conforme las citas que constan en el documento, cuyas fuentes se
incorporan en las
referencias o bibliografías. Consecuentemente este trabajo es de
mi total autoría.
En virtud de esta declaración, me responsabilizo del contenido,
veracidad y
alcance del Trabajo de Titulación referido.
La Libertad, a los veintinueve días del mes de enero del año
2020.
EL AUTOR (A)
f. ______________________________
Gonzabay Carvajal Juan Gustavo.
-
AUTORIZACIÓN
Yo, Gonzabay Carvajal Juan Gustavo.
Autorizo a la Universidad Península de Santa Elena a la
publicación en la
biblioteca de la institución del Trabajo de Titulación,
“Análisis y diseño de
cimentación para tanques metálicos de almacenamiento de
derivados del petróleo y
para base de bomba, de suelos característicos de la refinería la
libertad”, cuyo
contenido, ideas y criterios son de mi exclusiva responsabilidad
y total autoría.
La Libertad, a los veintinueve días del mes de enero del año
2020.
EL AUTOR (A)
f. ______________________________
Gonzabay Carvajal Juan Gustavo.
-
I
AGRADECIMIENTO
A todos nuestros docentes de la Carrera
Agradezco a los docentes de la carrera de Ingeniería Civil
quienes con la
enseñanza de sus valiosos conocimientos nos ayudaron en nuestra
formación
durante nuestra etapa académica, profesionales y personal,
gracias por el apoyo
brindado día a día en las aulas.
A la UPSE
Mi inmenso agradecimiento a la Universidad por abrirme las
puertas de tal
prestigiosa institución educativa y permitirnos concluir con
nuestra formación
universitaria.
A mi tutor de tesis
Mi más sincero agradecimiento a la Ingeniera Lucrecia Moreno
Alcívar, quien
con sus conocimientos, experiencia y motivación me oriento en el
transcurso de este
proceso de investigación, por sus enseñanzas, consejos y apoyo
brindado.
-
II
DEDICATORIA
Este proyecto de investigación principalmente se lo dedico a
Dios, que ha sido
mi guía y fuerza en este largo camino, por brindarme el don de
perseverancia y
fortaleza para no abandonar este sueño.
A mis amados padres Juan Gustavo Gonzabay Ramírez y Mery
Maritza
Carvajal Jaime que jamás dejaron de confiar en mí y me brindaron
todo su apoyo,
este sueño va dedicado a ellos. A mis hermanos Nerexi, David y
Leonardo, que han
visto en mí un ejemplo y siempre esperaron mucho más de mí.
A mi amada esposa Jazmín Franco Morales que es el ser más
hermoso que
Dios me pudo mandar como compañía, dándome fuerzas y siempre
estar ahí, y a
mis queridos hijos Isaac e Isis Gonzabay Franco, que han sido el
motor y las fuerzas
de mi vida para poder cumplir este sueño.
A mi gran Amigo el Ingeniero Alexi Balón que ha sido mi guía
para poder
cumplir este objetivo.
Todo este proyecto ha sido posible gracias a ustedes.
Gonzabay Carvajal Juan Gustavo
-
III
TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN
f. _____________________________
Ing. Garcés Vargas Juan Francisco.
DECANO DE LA FACULTAD
f. _____________________________
Arq. Rubira Gómez Gilda Graciela.
DIRECTOR DE CARRERA
f. _____________________________
Ing. Campoverde Campoverde Daniel Rosendo.
COORDINADOR O DOCENTE DEL ÁREA
f. _____________________________
Abg. Coronel Ortiz Víctor Manuel.
SECRETARIO GENERAL
-
IV
ÍNDICE
CAPITULO I
.........................................................................................................
1
ASPECTOS GENERALES
...............................................................................
1
1.1. Introducción
........................................................................................
1
1.2. Antecedentes
.....................................................................................
1
1.3. Planteamiento del problema
..............................................................
3
1.4. Objetivo de la investigacion
...............................................................
5
1.4.1. Objetivos Generales
...............................................................
5
1.4.2. Objetivos específicos
..............................................................
5
1.5. Hipótesis del trabajo
..........................................................................
5
1.6. Variables
............................................................................................
6
1.6.1. Variable independiente
........................................................... 6
1.6.2. Variable dependiente
..............................................................
6
1.7. Metodología
.......................................................................................
6
1.7.1. Desarrollo de la investigación
................................................. 6
1.7.2. Método propuesto
...................................................................
7
1.7.3. Técnicas
..................................................................................
7
1.7.4. Materiales e instrumentos de investigacion
............................ 7
CAPITULO II
........................................................................................................
9
MARCO TEÓRICO
...........................................................................................
9
2.1. Tanques
.............................................................................................
9
2.1.1. Pre-diseño de las dimensiones del tanque de 30000
barriles
de capacidad.
.............................................................................................
10
2.1.2. Peso
......................................................................................
11
2.1.3. Cimentación
..........................................................................
13
2.2. Bombas
............................................................................................
19
2.2.1. Bomba centrifuga
..................................................................
19
-
V
2.2.2. Bomba de desplazamiento positivo (Reciprocantes)
........... 20
2.3. Cimentación tipo bloque para equipo de bombeo.
.......................... 21
CAPITULO III
.....................................................................................................
22
SUELO
............................................................................................................
22
3.1. Tipos de Suelo
.................................................................................
22
3.2. Estudio de Suelo
..............................................................................
24
3.2.1. Trabajo de Campo
................................................................
24
3.2.2. Evaluación y características geotécnicas de los suelos
de
fundación. 26
3.2.3. Capacidad portante
...............................................................
27
3.2.4. Capacidad Admisible
............................................................ 27
CAPITULO IV
.....................................................................................................
29
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE CIMENTACIÓN DE ANILLOS DE
HORMIGÓN PARA BASE DE TANQUES
..............................................................
29
4.1. Ventajas dadas por el (PIP-STE03020, 2005, pág. 9):
................... 29
4.2. Desventajas dadas por el (PIP-STE03020, 2005, pág. 9):
............ 30
4.3. Recomendaciones dadas por el (PIP-STE03020, 2005, pág. 9):
.. 30
4.4. Parámetros a clasificar antes del prediseño de la
cimentación en un
tanque metálico de almacenamiento.
..................................................................
31
1. Verificación de los momentos de volteo sísmicos.
..................... 31
2. Verificación de los momentos de volteo por viento.
................... 31
3. Verificación de la estabilidad y desplazamientos del tanque.
.... 31
4.4.1. Verificación de los momentos de volteo sísmico.
................. 31
4.4.2. Verificación de los momentos de volteo de viento:
.............. 38
4.4.3. Verificación de Estabilidad y Desplazamientos en el
taque. 41
4.5. Predimensionamiento del anillo de cimentación.
............................ 43
4.6. Predimensionamiento de la base (b).
.............................................. 44
4.6.1. Tensión en el anillo.
..............................................................
46
-
VI
4.6.2. Momento en el anillo.
............................................................ 47
4.6.3. Corte y deslizamiento.
.......................................................... 49
4.7. Requisitos mínimos de acero de refuerzo de acuerdo a
(PIP-
STE03020,
2005)..............................................................................................
50
4.8. Diseño de cimentación de bases para equipos de bombeo.
........... 51
4.8.1. Predimensionar el bloque de cimentación.
........................... 51
CAPÍTULO V
......................................................................................................
53
ANÁLISIS Y DISEÑO DEL ANILLO DE CIMENTACIÓN.
.............................. 53
5.1. Cálculo de cargas de diseño.
.......................................................... 53
5.1.1. Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que
se
mueve al unirlo con el cuerpo del tanque.
................................................. 53
5.1.2. Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que
se
mueve en el primer
oleaje..........................................................................
54
5.1.3. Centro de acción para el momento de vuelco de la pared
del
anillo. 54
5.2. Calculo de momento en el anillo de cimentación por
fuerzas
sísmicas. 55
5.3. Estabilidad del tanque por cargas sísmicas.
................................... 59
5.4. Desplazamiento del tanque por cargas sísmicas de diseño.
.......... 60
5.4.1. Carga de diseño
....................................................................
60
5.5. Calculo de Momento de volteo ocasionado por el viento.
............... 62
5.6. Resistencia al desplazamiento horizontal.
...................................... 64
5.7. Diseño de cimentación anular
......................................................... 65
5.7.1. Dimensionamiento de cimientos.
.......................................... 65
5.8. Diseño de cimentación de base para bombas
................................ 72
5.8.1. Predimensionamiento de la base:
........................................ 72
5.8.2. Determinación de la carga por equipos sobre la base (Pt)
y
(Wu). 73
-
VII
CAPÍTULO VI
.................................................................................................
77
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
................................................ 77
6.1.
Conclusiones:...................................................................................
77
6.2. Recomendaciones:
..........................................................................
78
BIBLIOGRAFÍA
..................................................................................................
79
ANEXO
...............................................................................................................
80
-
VIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura. 1 Vista frontal del tanque de almacenamiento de 30000
bbls de
capacidad.
..................................................................................................................
11
Figura. 2 Vista en Planta de tanque de almacenamiento de
capacidad 30000
blls.
..............................................................................................................................
11
Figura. 3 Fundaciones de tierra sin muro de contención.
(API-650, 2013) ....... 15
Figura. 4 Cimientos de tierra con un anillo de hormigón.
(API-650, 2013) ....... 17
Figura. 5 Zapata debajo de anillo de cimentación. (API-650,
2013) ................. 18
Figura. 6 Vista lateral de losa de cimentación. (API-650, 2013)
....................... 19
Figura. 7. Parte de una bomba centrifuga.
........................................................ 20
Figura. 8. Esquema de funcionamiento de una bomba reciprocante.
............... 20
Figura. 9 Denominación típica y símbolos de los grupos del
Sistema Unificado
de Clasificación de los Suelos (SUCS).
.....................................................................
23
Figura. 10 Resultados de perforaciones- Capacidad portante del
estrato. ....... 27
Figura. 11 Resultados de perforaciones- Capacidad admisible del
estrato. ..... 27
Figura. 12 Momentos de volteo en el tanque vertical.
....................................... 32
Figura. 13 Ecuador, zonas sísmicas para propósitos de diseño y
valor del factor
Z. (NEC-SE-DS, 2015).
..............................................................................................
34
Figura. 14. Coeficientes para cálculo de periodo de vibración.
(NEC-SE-DS,
2015, pág. 62)
.............................................................................................................
36
Figura. 15. Periodo límite de vibración en el espectro sísmico
elástico. (NEC-
SE-DS, 2015, pág. 34)
...............................................................................................
37
Figura. 16. Periodo límite de vibración en el espectro sísmico
elástico. (NEC-
SE-DS, 2015, pág. 34)
...............................................................................................
37
Figura. 17 Espectro sísmico elástico de aceleración que
representa el sismo de
diseño. (NEC-SE-DS, 2015, pág. 33)
.........................................................................
37
Figura. 18 Factor de Importancia (I). (ASCE-7-05, 2005, pág. 77)
................... 39
Figura. 19 Categoría de ocupación. (ASCE-7-05, 2005, pág. 3)
...................... 40
Figura. 20. Cargas en el anillo de concreto. (PIP-STE03020,
2005, pág. 14) .. 43
Figura. 21. Momentos en el anillo de cimentación. (PIP-STE03020,
2005, pág.
17)
...............................................................................................................................
47
Figura. 22. Calculo del momento de giro. (PIP-STE03020, 2005,
pág. 18) ...... 48
-
IX
Figura. 23. Distribución de carga bajo sísmica o viento.
(PIP-STE03020, 2005,
pág. 19)
.......................................................................................................................
49
Figura. 24. Ancho para soportar y disipar la energía
........................................ 52
Figura. 25 Grafica de Aceleración espectral (elaboración
propia). ................... 56
Figura. 26 Medidas determinadas de anillo de cimentación
............................. 68
Figura. 27 Acero de refuerzo en el cimiento anular.
.......................................... 72
Figura. 28 Diferencia de Momentos
...................................................................
75
Figura. 29 Acero de refuerzo en base de bomba
.............................................. 76
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍA
Fotografía 1. Perforación # 1(Espoltel S.A.)
...................................................... 25
Fotografía 2. Perforación # 2 (Espoltel S.A.)
..................................................... 25
Fotografía 3. Perforación # 3 (Espoltel S.A.)
..................................................... 25
-
X
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Capacidad Admisible de carga
............................................................ 22
Tabla 2 Coordenadas WGS84 (GPS-73)
......................................................... 24
Tabla 3 Valor de Z en función de la zona sísmica adoptada.
........................... 35
Tabla 4 Tipo de suelo y Factores de sitio Fa.
................................................... 35
Tabla 5 Tipo de suelo y Factores de sitio Fd.
.................................................... 35
Tabla 6 Tipo de suelo y Factores el comportamiento inelástico
del subsuelo Fs.
....................................................................................................................................
36
Tabla 7 Criterios de relación de anclaje.
........................................................... 41
Tabla 8 Distancia mínima de borde.
..................................................................
45
Tabla 9 Factores de modificación de respuesta para los métodos
ASD. ........ 57
Tabla 10 Factor de importancia.
.......................................................................
57
Tabla 11 Calculo de momentos totales.
........................................................... 69
Tabla 12 Sección transversal de varillas de acero
........................................... 71
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo A. Estudio de Suelo.
...............................................................................
80
Anexo B. Especificaciones de bomba.
..............................................................
83
Anexo C. Excel de cálculo de diseño de anillo de hormigón.
............................ 86
-
XI
ABREVIATURAS
NEC Norma ecuatoriana de la construcción.
API Instituto Americano de Petróleo.
ACI Instituto Americano del Concreto.
AASTHO Asociación Americana de Carreteras y Transporte.
ASTM Sociedad Americana para Pruebas y Materiales.
SUCS Sistema unificado de Clasificación de Suelos.
SPT Prueba de penetración estándar.
SM Arena limosa.
SC Arena Arcillosa.
CL Arcilla.
CH Arcilla de Alta Plasticidad.
Qadm Capacidad admisible del suelo.
ØF Coeficiente de fricción del suelo.
D Diámetro del Tanque.
R Radio del Tanque.
Z Factor de Zona Sísmica.
H Altura del tanque.
HL Altura del líquido contenido en el Tanque.
Pi Presión interna.
Pe Presión externa.
Lr Carga Viva.
G Gravedad especifica.
Da Densidad del agua.
Mrw Momento de Volteo Sísmico
Wi Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se
mueve
al unirlo con el cuerpo del tanque (N).
Wc Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se mueve
en el
primer oleaje (N).
Wr Peso total del techo del tanque más carga viva (N).
Wrs Carga de techo que actúa sobre cuerpo.
Ws Peso total del cuerpo del tanque (N).
Wp Peso del producto contenido en el tanque.
-
XII
Ai Coeficiente de aceleración espectral Impulsivo.
Ac Coeficiente de aceleración espectral Convectivo.
Xs Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centro de
gravedad de este.
Xi Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de
la
fuerza lateral sísmica aplicada a Wi.
Xc Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de
la
fuerza lateral sísmica aplicada a W2 (m).
Xis Altura del centro de la acción de la fuerza sísmica
lateral
relacionadas con la fuerza impulsiva de líquido por el
momento.
Xcs Altura del centro de la acción de la fuerza sísmica
lateral
relacionado con la fuerza de líquido por convección, por el
momento.
V Velocidad del viento.
As Área proyectada del cuerpo.
PWS Presión de diseño de viento sobre la cuerpo (KPa).
PWR Presión de succión de viento sobre el techo (KPa)
P – F4 Máxima presión de diseño
M-Techo Momento debido a la fuerza de viento en el techo
M-Cuerpo Momento debido a la fuerza de viento en el cuerpo
Mw Momento por viento
DLS Peso nominal de planchas del cuerpo
DLR Peso nominal de planchas de techo
MDL Momento cuerpo-fondo de la articulación por el peso nominal
del
cuerpo
MDLR Momento cuerpo-fondo acerca de la articulación por el
peso
nominal de la placa del techo.
Wl Carga circunferencial del contenido a lo largo del cuerpo
tb Espesor de la placa de fondo.
t-actual Espesor de la placa de techo
MAWP Presión interna máxima de cálculo.
P-Std Presión interna total de diseño API-650 5.2.1
Pt Pendiente
I** Factor de importancia (Ver figura)
-
XIII
A-actual Área actual contribuida.
-
XIV
UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA FACULTAD DE
CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL.
TEMA: “ ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIÓN PARA TANQUES METÁLICOS
DE ALMACENAMIENTO DE DERIVADOS DEL PETRÓLEO Y PARA BASE DE BOMBA,
DE SUELOS CARACTERÍSTICOS DE LA REFINERÍA LA LIBERTAD ”.
Autores: Juan Gustavo Gonzabay Carvajal
Tutor: Ing. Lucrecia Moreno Alcívar. Mg.
RESUMEN
El presente trabajo consiste en el diseño de cimentación para
tanques
metálicos de almacenamiento de crudo y para base de bomba, de
suelos
característicos de la refinería La Libertad. Se utilizó como
base el estudio de suelo
realizado por la empresa BORLETI S.A., contratada por la
refinería de la Libertad, en
el cual se analiza sus propiedades geotécnicas de la
estratigrafía del suelo, para
luego pre-dimensionar el tanque metálico de almacenamiento con
capacidad de
50000 barriles y el área de cimentación para un asentamiento
uniforme, diseñando
un anillo de cimentación que soporte la capacidad máxima del
tanque metálico y una
base de hormigón armado para bomba, con el fin que las
estructuras sean estables,
no presenten deslizamientos al estar sometida a una fuerza
sísmica, y no presente
riesgo de voltearse al estar expuestas a fuertes cargas de
viento. El presente estudio
tiene como finalidad proporcionar información actualizada de
diseño de
cimentaciones, usando normas ecuatorianas.
Palabras claves: Cimientos, Suelos, estabilidad, fuerza y
energía, sismología,
momento de inercia.
-
XV
UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA FACULTAD DE
CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL.
TEMA: “ ANALYSIS AND DESIGN OF FOUNDATION FOR METAL TANKS FOR
STORAGE OF OIL DERIVATIVES AND FOR PUMP BASE, OF CHARACTERISTIC
FLOORS OF THE REFINERY LA LIBERTAD ”.
Authors: Juan Gustavo Gonzabay Carvajal
Tutor: Ing. Lucrecia Moreno Alcívar. Mg.
SUMARY
El The present work consists of the design of foundations for
metallic tanks for
the storage of crude oil and for the pump base, of
characteristic soils of the La
Libertad refinery. The soil study carried out by the BORLETI SA
company, contracted
by the Liberty refinery, was used as a basis, in which its
geotechnical properties of
the soil stratigraphy are analyzed, and then pre-dimension the
metal storage tank
with the capacity to 50,000 barrels and the foundation area for
a uniform settlement,
designing a foundation ring that supports the maximum capacity
of the metal tank
and a reinforced concrete base for pump, so that the structures
are stable, do not
present slips when subjected to a seismic force, and there is no
risk of turning when
exposed to strong wind loads. The purpose of this study is to
provide updated
information on the design of foundations, using Ecuadorian
standards.
.
Keywords: Foundation, soils, stability, force and energy,
seismology, moment of
inertia.
.
-
1
CAPITULO I
ASPECTOS GENERALES
Introducción 1.1.
Santa Elena, la provincia que cuenta con el sitio de producción
hidrocarburífera
más significativo del Ecuador, abarcando la mayor fuente de
ingreso del país en la
producción petrolera, en donde el diseño de su infraestructura y
de los tanques
contenedores del petróleo y sus derivados son de mucha
importancia, la cimentación
donde van a ir colocados los tanques es uno de los factores más
importantes para
poder realizar un buen diseño, por tal motivo que se realiza
cumpliendo todas las
normas que rigen las construcciones de cimentación, para poder
evitar que la
estructura falle, y prevenir derramamientos de estos
combustibles, que pueden
ocasionar contaminación e impactos irremediables en el medio
ambiente.
Por motivo que la estructura de la refinería de La Libertad ha
cumplido su
periodo de diseño, los equipos industriales se han deteriorado y
su cimentación que
es la parte principal de toda estructura, la refinería de la
Libertad tiene la necesidad
de obtener estudios de factibilidad, para realizar mejores
construcciones de los
reservorios del material pétreo, y lograr un incremento en su
capacidad y mejorar la
calidad de refinación de los estos derivados, y poder abastecer
más lugares dentro y
fuera del país.
Este documento será de mucha ayuda al momento de diseñar,
construir
nuevos tanques de almacenamiento del material pétreo, y obtener
una mejor
cimentación para los equipos en la Refinería La Libertad, por
motivo que el diseño
se realizó con suelos del sector, obteniendo una mejor
metodología en trabajos
afines al estudio.
Antecedentes 1.2.
El Ecuador empezó con la producción petrolera al comienzo del
siglo XX, en
tales épocas las empresas extranjeras eran las encargadas de la
exploración,
explotación, refinación, almacenamiento, transporte y
comercialización del crudo y
-
2
sus derivados en el país, los trabajos que se realizan en este
país se los desarrollan
cumpliendo requerimientos y especificaciones extranjeras, para
los trabajos de
refinamiento del material pétreo los diseños en su mayoría son
realizados fuera del
país y construidos en el lugar donde van a ser plantadas, por
tal motivo es que
ingenieros Ecuatorianos ven más factible utilizar
especificaciones de construcción
extranjeras dentro del país, en la actualidad nuestro país ha
incrementado la
producción petrolera, por tal motivo el estado ha intervenido en
mejorar la ingeniería
en el país, con el objetivo de obtener normas y especificaciones
constructivas
nacionales, gracias a esto es que varias empresas del país son
acreditadas para la
elaboración de diseños de factibilidad petrolera.
La ingeniería civil es de mucha importancia, por lo que es la
encargada en las
construcciones, teniendo el deber de cumplir las
especificaciones petroleras,
además de respetar las normas de construcción, los factores de
seguridad, teniendo
en cuenta las cargas de viento y las cargas sísmicas de acuerdo
al lugar de
construcción, para obtener un diseño óptimo y una construcción
segura.
El Ecuador forma parte de los muchos países que están en
constante alerta por
sismicidad por ser cruzado por llamado Cinturón de fuego, por
tal razón que,
para realizar cualquier proyecto constructivo, debe considerarse
los
parámetros sísmicos establecidos en la Norma Ecuatoriana de
la
Construcción (NEC) 2015, además de comparar con las normas
internacionales, para obtener un diseño capaz de resistir
movimientos
telúricos fuertes.
En el evento sísmico que tuvo como epicentro el cantón
Pedernales- de la
provincia de Manabí, el 16 de Abril del 2016, se pudo presenciar
que en varios
sectores ocurrió el fenómeno de licuefacción de suelos, este
fenómeno se produce
con más frecuencia en suelos compuestas por arenas y limos, los
cuales tienen
presencia de agua subterránea, y son sometidas a cargas
vibratorias, y estas cargas
pueden ser provocadas por la presencia de un movimiento telúrico
o terremoto, en el
fenómeno de licuefacción las partículas de suelos se acomodan y
permiten el paso
del fluido, este fenómeno por lo general incide negativamente en
las cimentaciones
y por ende en las construcciones ubicadas en el sector del
epicentro o sectores
-
3
cercanos, este es otro factor a tomar en cuenta para realizar un
diseño de
cimentación.
La provincia de Santa Elena geográficamente situada en las
costas del
Ecuador, geológicamente formada principalmente por rocas
sedimentarias que cubre
un complejo marítimo ígneo-sedimentario y posee una
vulnerabilidad alta ante
peligro sísmico de acuerdo a las normas ecuatorianas de la
construcción.
Planteamiento del problema 1.3.
En muchas ciudades del Ecuador, precisamente en la provincia de
Santa
Elena, uno de los principales problemas en las construcciones,
es que no se
respetan las normas que regir toda construcción, esto es debido
a que las
construcciones son realizadas por maestros de obras que tienen
experiencias en
construcción, pero no son guiadas por un ingeniero o arquitecto
que haga cumplir
todas las normas de construcción, además de la falta de control
a la calidad de los
materiales y un diseño adecuado , estas son las motivos por lo
cual una estructura
esta propensa a fallar.
Toda construcción debe tener una excelente cimentación por lo
que esta es la
parte más relevante de toda estructura, como es de conocimiento
general el suelo
es un material heterogéneo, por lo que se compone de diversos
materiales
dependiendo de su ubicación geográfica por ejemplo (arcillas,
limos, arenas,
residuos orgánicos e inorgánicos, cimentaciones antiguas, restos
de construcciones,
agua subterránea, etc..), es por la estratigrafía del terreno
que en muchas ocasiones
es muy complicado evitar que este sufra asentamientos en los
puntos de apoyos de
las construcciones, pues el comportamiento del suelo o subsuelo
bajo la cimentación
depende mucho las características mecánicas de este.
Otro de los factores que afecta a los proyectos de construcción
es el nivel
freático, la Refinería de La libertad por estar ubicada
geográficamente cerca de la
costa, el nivel freático se encuentra a una profundidad
alrededor de 2-3 metros,
además de poseer agua subterránea, este factor suele afectar el
diseño y el proceso
constructivo de las cimentaciones, esto puede ocasionar retrasos
en la construcción
-
4
y que el proyecto sufra rediseños drásticos encareciendo el
proyecto. Siendo esta
una de las causas que suele ocasionar reclamos y controversias
en los contratos de
construcción.
Para todo proyecto de análisis y diseño de cimentaciones, la
profundidad de la
capa freática es un dato de mucha relevancia, pero en muchas
ocasiones no se
encuentran datos de estudios del subsuelo que brinden
información sobre la
composición de la estratigrafía y las oscilaciones de
profundidad de la capa freática.
Para trabajar en seco en el fondo de una excavación, es
necesario realizar
el abatimiento del nivel freático para evitar que el agua se
filtre a través del terreno
hacia el fondo de la excavación o a los elementos de
drenaje.
Los trabajos de exploración del subsuelo permiten realizar los
respectivos
estudios y ensayos para obtener los diversos parámetros físicos
y mecánicos de la
estratigrafía del terreno y mediante estos parámetros prever el
comportamiento del
terreno a la exposición de cargas producidas por la
estructuras.
Se utilizará la ecuación propuesta por Terzagui para calcular la
máxima
capacidad de carga que puede soportar la cimentación superficial
donde el
empotramiento de la cimentación tiene una profundidad igual o
mayor su ancho,
gracias a esta ecuación se puede obtener la presiones que se
producen en la cota
que está debajo de la cimentación, las cuales pueden provocar
fallas por corte en el
terreno.
Los parámetros antes mencionados serán factores de mucha
importancia al
momento de, dimensionar la cimentación, realizar los cálculos
para el diseño de los
elementos de contención (muros y pantallas), sistema de drenaje,
y en todo el
sistema constructivo, además permitirán emplear sistemas que
permitan garantizar
la durabilidad de los materiales, como el uso de cementos
resistentes a sulfatos
dependiendo del terreno.
En estructuras cimentadas bajo el nivel freático puede
recomendarse realizar
una loza de cimentación de hormigón armado, aunque el terreno de
apoyo tenga
https://ingeniero-de-caminos.com/drenaje-del-nivel-freatico/
-
5
muy buenas características físicas y mecánicas. En estos casos
los empujes de
agua, los requisitos de estanquidad, son factores que deben ser
tomados en cuenta
al momento de realizar el cálculo para el diseño.
Par el diseño y construcción de cimentaciones donde irán
colocados equipos
industriales, es recomendable que en el diseño la altura del
desplante este sobre el
nivel de la capa freática o estén sobre un suelo no sensible a
vibraciones,
dependiendo si el estudio de suelo no recomienda utilizar
pilotes.
Objetivo de la investigación 1.4.
1.4.1. Objetivos Generales
Analizar y diseñar la cimentación para tanques metálicos de
almacenamiento
de derivados del petróleo y para bases de bombas, en suelos
característicos de la
refinería La Libertad.
1.4.2. Objetivos específicos
Delinear los fundamentos teóricos para diseño de cimentaciones
de
estructuras en diversos tipos de suelos.
Obtener las características geológicas y geotécnicas de la
estratigrafía
del suelo en el sitio del proyecto.
Pre dimensionar el tanque metálico de almacenamiento y el área
de
cimentación para un asentamiento uniforme según la norma
API-650.
Definir un modelo matemático de reservorio para almacenar crudo
y su
cimentación para predecir la relación de la estructura tanque
–suelo.
Analizar los esfuerzos y deformaciones de la cimentación del
tanque
de almacenamiento y para la base de equipos de bombeo.
Hipótesis del trabajo 1.5.
Realizar el adecuado análisis y diseño de la cimentación y
estructura metálica
del tanque de almacenamiento de los derivados del petróleo con
una capacidad de
-
6
50.000 barriles y para bases de unidad de bombeo que cumplirán
con las normas
NEC y API-650, disminuyendo los asentamientos uniformes
provocados por el peso
del tanque y la carga del petróleo o sus derivados, comprobados
mediante su
respectivo calculo.
Para llevar a cabo esto se utilizó “Estudio de suelo No.
2017142-17-C-DK-003
del contrato LAB-ZS0 No.2017142 celebrado entre EP Petroecuador
y la empresa
ESPOLTEL.S.A.
Variables 1.6.
1.6.1. Variable independiente
Propiedades mecánicas de los diferentes extractos de suelos en
el sitio
de estudio.
Esfuerzo máximo del concreto a los 28 días (f’c= 280
Kg/cm2).
Dimensiones del reservorio de almacenamiento de crudo de
50.000
barriles de capacidad y unidad de bombeo.
1.6.2. Variable dependiente
Anillo de cimentación para tanque con capacidad de
almacenamiento
de 50000 barriles.
Espectro de diseño sísmico para suelos granulares.
Capacidad de carga de los sub-suelo característicos dentro de
refinería
La Libertad.
Metodología 1.7.
1.7.1. Desarrollo de la investigación
Interpretar parámetros geotécnicos de otros estudios
realizados.
-
7
Compilación de información de los diversos diseños de
cimentaciones
utilizadas para equipos industriales y para reservorios de
almacenamiento en industrias petroleras.
Pre-factibilidad y dimensionamiento del reservorio con capacidad
de
50.000 barriles.
Pre-dimensionamiento de cimentación para modelación de la
estructura y equipo a evaluar.
Dimensionamiento de la cimentación para el reservorio
metálico
utilizado para almacenar crudo o derivados del petróleo y base
de
unidad de bombeo.
1.7.2. Método propuesto
Para el presente proyecto de grado se tiene previsto:
Obtener información de libros, tesis, manuales, internet y
consultas
técnicas específicas, relacionadas al tema de estudio.
Examinar el estudio geotécnico realizado en el sector donde
de
acuerdo al proyecto se prevé la construcción de la estructura y
unidad
de bombeo.
Diseño de cimentación para el reservorio de hidrocarburo con
una
capacidad de 50.000 barriles y para base de unidad de
bombeo.
1.7.3. Técnicas
Consulta a profesionales con experiencia en cimentaciones.
1.7.4. Materiales e instrumentos de investigación
Para llevar a cabo el desarrollo del este proyecto de grado se
utilizará los
siguientes instrumentos y materiales de investigación:
Utilización del software AUTOCAD 2019.
-
8
Para el diseño se utilizó la NEC-15 (Norma Ecuatoriana de la
Construcción).
Para el diseño se utilizó el API STANDARD 650 (American
Petroleum
Institute).
Para verificación de diseño.se utilizo el ACI-14 (American
Concrete
Institute).
Para el cálculo del diseño de cimentación se utilizó el software
office
Excel 2010.
Libros, manuales y tesis de diseños de diseños de
cimentaciones.
-
9
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
Tanques 2.1.
Los tanques utilizados en las industrias generalmente sirven
para almacenar
enormes cantidades de líquidos, gases, estos productos suelen
ser inflamables,
corrosivos y se comportan de manera inestable, debido a esto
para que estos
tanques cumplan su función adecuada deben tomarse en cuenta
todas las
precauciones necesarias. (Filippi, 2012, pág. 1).
Los reservorios metálicos diseñados para almacenar derivados del
petróleo
son utilizados en gran magnitud en las industrias petroleras,
para el respectivo
refinamiento y almacenamiento del crudo y sus derivados, estos
reservorios se usan
como recipientes temporales para luego ser comercializado o
utilizado.
Para almacenar grandes cantidades de material hidrocarburifero a
un bajo
costo, los reservorios más utilizados son los tanques
cilíndricos de fondo plano y
vertical, pero estos reservorios tienen un factor que limita su
uso, este es que se
pueden utilizar cuando se producen pequeñas presiones internas o
a presiones
atmosférica. Por su gran tamaño estos reservorios diseñados para
almacenar
líquidos a una presión que supera levemente a la atmosférica. En
las industrias
petroleras para diseños de reservorio, las normas utilizadas son
las API, los tanques
nuevos se diseñan cumpliendo las especificaciones dadas por el
API 650, y cuando
se trata de una remodelación de los tanques de almacenamiento se
utiliza el API
653.
(Filippi, 2012, pág. 1) Propone la siguiente clasificación de
los tanques de
almacenamiento de acuerdo a su diseño y construcción, y
dependiendo de las
propiedades del líquido e hidrocarburo a almacenar.
Por su forma: esféricos y cilíndricos.
Por su construcción: soldados y empernados.
-
10
(Filippi, 2012, pág. 2) Implica los factores que permitan
brindar una adecuada
seguridad y una construcción no sobrevalorada, además de brindar
parámetros
para realizar las respectivas pruebas a los tanques de
almacenamiento de diversas
capacidades, también permite conocer requisitos necesarios que
debe cumplir las
cimentaciones, revisando:
Momento de volteo por sismo en el tanque.
Momento de volteo por viento en el tanque.
Desplazamientos probables en el tanque.
Requerimiento constructivo para la cimentación.
2.1.1. Pre-diseño de las dimensiones del tanque de 50000
barriles de
capacidad.
Los tanques diseñados para almacenar agua, petróleo y sus
derivados
comúnmente tienen forma cilíndrica, en las industrias se
utilizan tanques de diversa
capacidad, por lo cual existen tanques capases de almacenar
2000, 3200,55000,
56500 y 250000 barriles, para este tema de tesis se propone
realizar un diseño
capaz de almacenar 50000 barriles de materias pétreo. (Filippi,
2012, pág. 3)
1 𝑚3 = 6,29 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑖𝑙𝑒𝑠 (𝑏𝑏𝑙𝑠)
50000 𝑏𝑏𝑙𝑠 = 1𝑚3
6,29 𝑏𝑏𝑙𝑠= 7949,13 𝑚3
V = 7949,13 𝑚3
Altura del tanque para capacidad de 50000 blls (4769,48 m3)
Considerando las dimensiones de las planchas de acero (2,44 m x
6 m)
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎 (ℎ𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎) = 2,44 𝑚
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎 = 4
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (ℎ) = 2,44 𝑚 𝑥 4 = 9,76 𝑚
-
11
Diámetro de tanque para capacidad de 50000 blls (7949,13 m3)
𝐷 = √4𝑥𝑉
𝜋 𝑥 ℎ
𝐷 = √4𝑥7949,13 𝑚3
𝜋 𝑥 9,76 𝑚
𝐷 = 32,20 𝑚
Figura. 1 Vista frontal del tanque de almacenamiento de 30000
bbls de capacidad.
Figura. 2 Vista en Planta de tanque de almacenamiento de
capacidad 30000 blls.
2.1.2. Peso
La carga muerta en la estructura es el peso del tanque que va a
depender de
su dimensión y del material que este fabricado, la carga viva la
va aportar el
combustible que será almacenado, se debe tener en cuenta el
líquido que será
-
12
almacenado para luego llevar a cabo la fabricación del tanque,
para analizar si la
capacidad portante del suelo y la cimentación son capaces de
resistir aquellas
cargas a las que va a ser sometidas. (Filippi, 2012, pág. 4)
Es muy importante tener en cuenta el peso específico, por motivo
que es
diferente en todo material o fluido, es decir las presiones que
se transmitirán a la
cimentación dependen del combustible que este en el tanque.
2.1.2.1. Peso específico del líquido de diseño
Considerando que la densidad de la sustancia a almacenar es de
870 Kg/m3;
pero el diseño se realizará utilizando el peso específico del
agua, por motivo que
luego de la fabricación del tanque de almacenamiento se
procederá a realizarse la
respectiva prueba hidrostática llenando el reservorio al
100%.
𝜌𝐻2𝑂 = 1000 𝐾𝑔 𝑚3⁄ = 𝜌𝐿
2.1.2.2. Volumen del líquido contenido.
De acuerdo a la norma (API-2350, 2005, pág. 18), el tanque
de
almacenamiento debe estar a una máxima capacidad de 97% del
líquido contenido,
pero para realizar un mejor cálculo y por ende una mejor
cimentación es
recomendable considerar el llenar el reservorio a su capacidad
máxima el 100%
cuando se realiza prueba hidrostática.
𝑉 = 𝜋. 𝑟2𝐻𝐿
𝑉 = 𝜋. (𝐷
2)
2
𝐻𝐿
𝑉 = 𝜋. (32,20 𝑚
2)
2
9,76 𝑚
𝑉 = 7949,13 𝑚3
2.1.2.3. Masa efectiva del líquido de diseño
𝑊𝑝 = 𝜌𝐻2𝑂𝑥V
-
13
𝑊𝑝 = (1000 𝐾𝑔 𝑚3⁄ )( 7949,13 𝑚3)
𝑊𝑝 = 7949125,60 𝐾𝑔𝑓
𝑊𝑝 = 77980922,10 𝑁
2.1.3. Cimentación
Se compara los costos de los equipos industriales en este tipo
de estructura
con los del costo de la cimentación, se puede establecer que
este último costo es
mucha menor que el costo de los equipos, la cimentación para
este tipo de
estructuras no toleran deformaciones transcendentales en el
suelo.
Considerando que el tanque metálico utilizado para almacenar
los
hidrocarburos, está fabricado por un fondo y una coraza de chapa
de acero, se
pueden mencionar las características dadas por el (API-650,
2013, págs. B-1):
Debido a los cambios climáticos, a las propiedades del
terreno
superficial y a los diversos tipos de suelos que componen la
estratigrafía del lugar, es muy complicado obtener diseños
que
satisfagan todas estas posibles situaciones. El tipo de
construcción y la
carga máxima que se le puede aplicar al suelo, debe ser
analizada y
calculada cuidadosamente para cada caso. Para poder seleccionar
el
sitio donde se colocarán los cimientos para diseños y
construcciones
de magnitudes similares, se cumplirá las normas y precauciones
antes
mencionadas.
La superficie donde interactuaran el reservorio con el suelo es
muy
importante, por tal razón es de suma importancia realizar
estudios
geotécnicos por lo menos hasta una profundidad igual al diámetro
del
reservorio, o hasta donde el suelo posea un número de golpes
igual a
N30.
Cuando no se tenga datos reales de diseños y construcción de
reservorios y
cimentaciones en lugares con características similares, deben de
considerarse los
factores de seguridad para realizar el diseño de la cimentación
y poder calcular las
-
14
máximas presiones que puede soportar el suelo. El profesional a
cargo del diseño
podrá seleccionar el respectivo factor de seguridad siguiendo
las especificaciones
del código (API-650, 2013, págs. B-1):
De 2.0 a 3.0 contra la falla final del rodamiento para
condiciones
normales de operación.
De 1.5 a 2.25 contra la falla final del rodamiento durante las
pruebas
hidrostáticas.
De 1.5 a 2.25 contra la falla final del rodamiento para
condiciones de
operación más el efecto máximo de viento o cargas sísmicas.
Se denomina cimentación superficial, cuando los elementos
verticales que
componen la superestructura se extienden hasta la superficie de
cimentación,
apoyándose sobre el terreno de cimentación, realizando la
extensión de la sección
transversal para lograr reducir los esfuerzos que se transmiten
al suelo.
El (API-650, 2013, págs. B-3) indica, que el suelo donde ira la
cimentación es el
idóneo, si es capaz de soportar el peso del recipiente lleno,
logrando evitar
asentamientos que sobrepasen los permitidos. Para la
construcción de
cimentaciones para tanques de almacenamiento de materias pétreo
se pueden
utilizar los siguientes métodos:
a.- Fundaciones de tierra sin muro de contención:
Fondo del recipiente sobre una base granular.
Refuerzo lateral con berma de grava.
b.- Refuerzo lateral mediante muro anular de hormigón.
c.- Cimentación con losa de hormigón armado.
2.1.3.1. Fundaciones de tierra sin un muro de contención
Este meto es factible utilizarlo luego de realizar el estudio
del subsuelo
mediante trabajo de exploración y en laboratorio, demuestran que
el terreno es
-
15
capaz de soportar las cargas a ser sometidas y se produzcan
asentamientos
admisibles para el diseño. Las exigencias de funcionamiento que
deben cumplir las
cimentaciones de tierra son similares a los cimientos más
grandes.(API-650, 2013,
págs. B-3)
Específicamente, el suelo donde irá colocada la estructura
deberá cumplir con
las siguientes exigencias:
Brindar una superficie firme para el soporte del tanque.
Limitar el asentamiento general de la pendiente del tanque a
valores
compatibles con los márgenes utilizados en el diseño de la
tubería de
conexión.
Proporcionar un adecuado drenaje para evitar que el perímetro de
la
estructura sufra asentamientos excesivos, provocados por su
peso.
Figura. 3 Fundaciones de tierra sin muro de contención.
(API-650, 2013)
2.1.3.2. Refuerzo lateral mediante muro anular de hormigón.
Los tanques abiertos y elaborados con un material pesado y altos
y techos
auto-portantes transmiten grandes cargas a las bases. Cuando se
tenga dudas de
que la base puede transportar el peso de la estructura del
tanque directamente, es
recomendable utilizar una base de concreto para muro anular. Una
base con un
-
16
anillo de hormigón tiene las siguientes ventajas de acuerdo a la
norma (API-650,
2013, págs. B-4) y estas son:
Proporciona una mejor distribución de la carga concentrada
del
caparazón para producir una carga de suelo más uniforme debajo
del
tanque.
Proporciona un plano inicial sólido y nivelado para la
construcción de la
carcasa.
Proporciona un mejor medio para nivelar la pendiente del tanque,
y es
capaz de preservar su contorno durante la construcción.
Retiene el relleno debajo del fondo del tanque y evita la
pérdida de
material como resultado de la erosión.
Minimiza la humedad debajo del tanque.
Consideraciones especiales por norma (API 650, 2013)
2.1.3.2.1.
en anillos de cimentación.
Cuando se diseña una pared de anillo de concreto, debe ser
dimensionada de
manera que el esfuerzo transmitido no exceda la capacidad de
carga del suelo. La
pared del anillo no debe tener menos de 300 mm (12 pulg.) de
espesor. El diámetro
del eje central de la pared del anillo debe ser igual al
diámetro nominal del tanque;
sin embargo, la línea central de la pared del anillo puede
variar si es necesario para
facilitar la colocación de los pernos de anclaje o para
satisfacer los límites de soporte
del suelo para cargas sísmicas o fuerzas de elevación excesivas.
Como mínimo, el
fondo de la pared del anillo, si se encuentra en el suelo, se
ubicará a 0.6 m (2 pies)
debajo del grado de acabado adyacente más bajo. Los cimientos de
los tanques
deben construirse dentro de las tolerancias especificadas.
(API-650, 2013, págs. B-
5)
-
17
La pared del anillo debe ser diseñada para soportar los cambios
de
temperatura y contracción y reforzarse para resistir la presión
lateral del relleno
confinado con su sobrecarga de las cargas del producto. ACI 318
se recomienda
para valores de tensión de diseño, especificaciones de
materiales y desarrollo y
cubierta de barras de refuerzo. Se considerarán los siguientes
elementos
relacionados con un anillo de cimentación. (API-650, 2013, págs.
B-5)
Figura. 4 Cimientos de tierra con un anillo de hormigón.
(API-650, 2013)
Cuando el ancho de la pared del anillo excede los 460 mm (18
pulg.), Se debe
considerar usar una base debajo de la pared. Las zapatas también
pueden ser útiles
para la resistencia a las fuerzas de elevación. El relleno
estructural dentro y
adyacente a muros de concreto y alrededor de elementos como
bóvedas, tuberías
subterráneas y sumideros requiere un control de campo cercano
para mantener las
tolerancias de asentamiento. El relleno debe ser material
granular compactado a la
-
18
densidad y compactación como se estipula en las especificaciones
de la normativa
ecuatoriana de la construcción. (API-650, 2013, págs. B-6)
Figura. 5 Zapata debajo de anillo de cimentación. (API-650,
2013)
2.1.3.3. Cimentación con losa de hormigón Armado.
Se debe utilizar losa de cimentación cuando los tanques de
almacenamiento no
superen los 30 pies (9,14 m) de diámetro, desde ese diámetro
económicamente es
mejor que un anillo de cimentación.
La estructura del piso o losa y el sistema de soporte del piso,
tendrán que
diseñarse para que sea capaz de soportar todas las cargas
asignadas, además de
resistir las cargas sísmicas que se le puedan transmitir. Los
requisitos de refuerzo y
los detalles de diseño y de la construcción deben estar de
acuerdo con la ACI 318.
(API-650, 2013, págs. B-7)
-
19
Figura. 6 Vista lateral de losa de cimentación. (API-650,
2013)
Bombas 2.2.
Las bombas son equipos cuya función principal es facilitar el
flujo de un
elemento a otro dentro de una Central de procesamiento. El
objetivo principal de una
bomba es la de trasformar la energía mecánica en hidráulica, la
energía mecánica
es producida por un motor (térmico o eléctrico), luego este se
convierte en energía
para un fluido, este se traduce en el aumento de presión,
velocidad y altura, es decir,
desplazar un fluido en una zona de baja presión estática a una
zona de alta presión.
(Viejo & Alvarez, 2004, pág. 13)
Las bombas utilizadas en industrias dedicadas a la explotación,
refinamiento, y
comercialización del material pétreo, se las clasifica en:
- Bombas centrifugas
- Bombas de desplazamiento positivo (Reciprocantes)
2.2.1. Bomba centrifuga
Una bomba centrifuga es una turbomaquina que transforma la
energía
mecánica de un impulsor rotativo (motor) en energía cinética y
potencial requeridas
por el fenómeno de continuidad. El fluido ingresa por el centro
del impulsor (rodete),
que consta de alabes para dirigir el fluido, y por acción de la
fuerza centrífuga es
impulsado hacia afuera, en donde es recolectado por el cuerpo de
la bomba, que
gracias a su forma es conducido hacia el siguiente rodete. El
diseño de la
cimentación para base de equipo de bombeo, posee un grado de
complejidad a
-
20
consecuencias de sus distintas vibraciones del motor como la
bomba. (Salazar,
2013, pág. 50).
Figura. 7. Parte de una bomba centrifuga.
2.2.2. Bomba de desplazamiento positivo (Reciprocantes)
Las bombas reciprocantes se las usan para capacidades que
excedan a las de
la bomba centrifuga (presiones desde 3500 Psi hasta 5000
Psi).
Se le da el nombre de desplazamiento positivo porque reciben un
volumen fijo de
fluido en estado de succión y lo convierte a presión de descarga
y lo elimina por la
boquilla de retiro. La actividad de esta bomba se obtiene
mediante la circulación
alternativa del pistón, embolo o diagrama. (Salazar, 2013, pág.
51)
Figura. 8. Esquema de funcionamiento de una bomba
reciprocante.
-
21
Cimentación tipo bloque para equipo de bombeo. 2.3.
El tipo de cimentación más apropiado para colocar equipos de
bombeos es una
losa de cimentación la misma que se encarga de transmitir las
cargas de los
conjuntos estructurales que este soporta al suelo. Los equipos
industriales no solo
trasmiten las cargas estáticas, sino que también se añaden las
cargas dinámicas
que producen las maquinarias. Es por eso que el estudio de la
cimentación para
equipos de bombeo industriales, muestran un grado mayor de
dificultad, porque se
debe minimizar las deformaciones del suelo de fundación,
Debiendo combinar los
criterios correctos de la ingeniería estructural, geotecnia y el
análisis de vibraciones;
con ayuda de la normativa para lograr una eficaz aplicación.
(Salazar, 2013, pág. 57)
-
22
CAPITULO III
SUELO
Tipos de Suelo 3.1.
En la Mecánica de Suelos un análisis detallado y especializado,
determinará
las características físicas y las propiedades mecánicas del
terreno de estudio. Por
esta razón es muy indispensable, el conocimiento del área de
cimentación, la
naturaleza de la estratigrafía del suelo y las condiciones del
agua subterránea.
(Filippi, 2012)
En la siguiente tabla se muestra la clasificación del suelo
según su capacidad
de soportar cargas:
Tabla 1 Capacidad Admisible de carga
TIPO DE SUELO: Arcilla qadm [kg/cm2]
Duro 2,50 – 5,00
Compacto 1,25 -2,50
Blando 0,75 – 1,25
Muy Blando 0,00 – 0,75
Clasificación de las capacidades promedias de cargas admisibles.
(Sowers, 1972, pág. 507)
Para realizar esta clasificación se deberá realizar el
respectivo estudio de
campo y ensayos en laboratorio de las muestras de material en
situ. En el subsuelo
existente predomina material fino pudiendo ser este limo o
arcilla pre-consolidada.
Para conocer en qué tipo de suelo se realizará el trabajo es
necesario realizar
un estudio de suelo y por ende su clasificación, el sistema más
apropiado para
clasificar el suelo para un análisis de cimentación es el
Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos (SUCS), para el cual se utiliza la
siguiente tabla:
-
23
Figura. 9 Denominación típica y símbolos de los grupos del
Sistema Unificado de Clasificación de los
Suelos (SUCS).
Mediante el estudio de suelo se obtendrán datos que permitirán
conocer las
propiedades geotécnicas del terreno, para poder realizar el
análisis de capacidad de
carga, posibles deformaciones y las características de los
diversos estratos que
componen el suelo.
Arenas bien graduadas,
arenas con grava, pocos
finos o sin finos.
Arenas mal graduadas,
arenas con grava, pocos
finos o sin finos.
ML
GC
GM
SP
SW
Arenas arcillosas, mezclas
arena-arcilla.
Gravas limosas, mezclas
grava-arena-limo.
Gravas arcillosas, mezclas
grava-arena-arcilla.
Limos inorgánicos y arenas muy
finas, limos límpios, arenas
finas, limosas o arcillosa, o
limos arcillosos con ligera
plásticidad.
Arcillas inorgánicas de
plasticidad alta.CH
Arenas limosas, mezclas
de arena y limo.
Limos inorgánicos, suelos
arenosos finos o limosos
con mica o diatomeas,
limos elásticos.
OH
Limos orgánicos y arcillas
orgánicas limosas de baja
plasticidad.
Arcillas inorgánicas de
plasticidad baja a media, arcillas
con grava, arcillas arenosas,
arcillas limosas.
CL
MH
Arcillas orgánicas de
plasticidad media a
elevada; limos orgánicos.
Turba y otros suelos de alto
contenido orgánico.Suelos muy orgánicos
SC
SM
OL
PT
Limos y arcillas: Límite
líquido mayor de 50
Cuando no se cumplen
simultáneamente las condiciones
para SW.
Límites de
Atterberg debajo
de la línea A o
IP7.
Límites de
Atterberg sobre la
línea A con IP>7.
Límites de
Atterberg debajo
de la línea A o
IP6
Cc=(D30)2/D10xD60 entre 1 y 3
Cu=D60/D10>4
Cc=(D30)2/D10xD60 entre 1 y 3
Determinar porcentaje de
grava y arena en la curva
granulométrica. Según el
porcentaje de finos
(fracción inferior al tamiz
número 200). Los suelos
de grano grueso se
clasifican como sigue:
GW,GP,SW,SP.
>12%->GM,GC,SM,SC. 5
al 12%->casos límite que
requieren usar doble
símbolo.
No cumplen con las
especificaciones de granulometría
para GW.
Encima de línea
A con IP entre 4
y 7 son casos
límite que
requieren doble
símbolo.
DIVISIONES PRINCIPALESSímbolos del
grupoNOMBRES TÍPICOS IDENTIFICACIÓN DE LABORATORIO
Gravas, bien graduadas,
mezclas grava-arena,
pocos finos o sin finos.Gravas
límpias (sin
o con pocos
finos)GRAVAS Más
de la mitad de
la fracción
gruesa es
retenida por el
tamiz número 4
(4,76 mm)
Gravas mal graduadas,
mezclas grava-arena,
pocos finos o sin finos.GP
GW
ARENAS
Más de la mitad
de la fracción
gruesa pasa por
el tamiz número
4 (4,76 mm)
SUELOS DE
GRANO
GRUESO
Más de la mitad
del material
retenido en el
tamiz número 200Arenas
límpias
(pocos o sin
finos)
Arenas con
finos
(apreciable
cantidad de
finos)
Limos y arcillas: Límite
líquido menor de 50
SUELOS DE
GRANO FINO
Más de la mitad
del material pasa
por el tamiz
número 200
Gravas con
finos
(apreciable
cantidad de
finos)
-
24
Estudio de Suelo 3.2.
3.2.1. Trabajo de Campo
Los estudios de suelo los realizó la empresa BORLETI S.A.
contratada por la
refinería de la Libertad, luego de la obtención de las muestras
del subsuelo en áreas
estratégicas, se realizó el análisis de estas muestras mediante
las normas
AASHTHO T-206 y ASTM D-1586, comúnmente utilizadas en el
país.
Para llevar a cabo el estudio de suelo se realizó el sondeo y
análisis de tres
perforaciones, las cuales se ejecutaron utilizando la maquina a
rotación, percusión y
lavado, estas peroraciones se la ejecutaron hasta una
profundidad entre 7 y 8
metros, de las cuales se obtuvo las siguientes resultados, se
encontró un estrato de
suelo rocoso compuesta principalmente por arcilla con un dureza
clasificada como
muy blanda, la cual posee un número de golpe mayor a 50 con uso
del ensayo in
situ SPT, el N 60 da a conocer que el suelo tiene una capacidad
portante alta, el
análisis a este estrato se lo realizo hasta una profundidad de 4
metros, para verificar
si mantenía las mismas características y no disminuía su
capacidad portante según
la profundidad .
En la siguiente tabla se muestra la ubicación geográfica de los
puntos donde la
empresa BORLETI S.A. realizó las perforaciones de suelos, de
acuerdo a los
lugares propuestos por personal de la refinería, las cuales
permitieron realizar los
perfiles estratigráficos en el área de estudio, estas
coordenadas fueron tomas
mediante el uso del dispositivo GARMIN modelo GPS-73
Tabla 2 Coordenadas WGS84 (GPS-73)
Perforación Profundidad N.f. Coordenadas-zona 17 m
# m. m. N E
1 7,00 1,90 9754429 0510959
2 7,00 1,20 9754462 0510945
3 8,00 2,00 9754428 0510920
Ubicación de coordenadas de sitio de excavación (Espoltel
S.A.)
-
25
Fotografía 1. Perforación # 1(Espoltel S.A.)
Fotografía 2. Perforación # 2 (Espoltel S.A.)
Fotografía 3. Perforación # 3 (Espoltel S.A.)
-
26
3.2.2. Evaluación y características geotécnicas de los suelos
de
fundación.
Lo que garantizará el buen desempeño de la cimentación, es que
el terreno
donde va a construirse tenga excelentes características y
propiedades, mediante los
estudios realizados se pudo observar presencia de suelos
sedimentarios y
residuales depositados en el perfil estratigráfico del terreno,
que está formado
principalmente por arcilla y posee una capacidad portante alta,
a continuación se
detalla los resultados obtenidos mediante los estudios de
suelos.
Estrato 1.- desde el nivel superficial hasta una profundidad
variable de
2.60 a 3.40 m, se detectó una intercalación de capas arena
arcillo limosa
con capas de arcilla con arena y limo, con algo de grava, color
café y
café amarillento, finos medianamente plásticos, compacidad
variable de
suelta a medianamente densa, con número de golpes entre 5 a 16
para
una penetración de 12” en el ensayo de campo SPT, que revela su
alta
compresibilidad ante la imposición de altos esfuerzos de
contacto como
el provocado por la estructura proyectada. Según la SUCS este
estrato
se clasifica (SM y SC).
Estrato 2.- está compuesta por una formación rocosa
principalmente
formada por arcilla muy fracturada, posee una consistencia
dura,
utilizando una penetración de 12” con SPT da un número de
golpes
mayor a 50, la cual indica que su capacidad portante es alta y
de buen
desempeño ante la aplicación de cargas. Según la SUCS este
estrato se
clasifica CL y CH.
Hasta la profundidad que se realizaron los sondeos se logró
constatar que se
mantenía la formación rocosa, y mantenía sus propiedades de
dureza y su
capacidad portante.
.
-
27
Para empezar a realizar la estratigrafía del suelo se toma como
cota de
referencia 0.00 en la superficie donde se realiza la perforación
que es la superficie
del terreno.
3.2.3. Capacidad portante
Los estudios de mecánica de suelos se realizaron a las muestras
de suelos
tomadas en lugar de estudio, mediante perforaciones in situ SPT,
se logró identificar
que el estrato de suelo arcilloso posee una capacidad portante
mayor a 16.0 Ton/m²
y en el estrato rocoso su capacidad portante es mayor a 37.0
Ton/m².
Figura. 10 Resultados de perforaciones- Capacidad portante del
estrato.
3.2.4. Capacidad Admisible
Utilizando los criterios propuestos por Karl Terzaghi, Holguín y
Meyerhof, se
logró determinar que el estrato de suelo arcilloso posee una
capacidad admisible de
8,0 Ton/m², con un factor de seguridad mayor a 2 y en la
formación rocosa con un
factor de seguridad mayor a 3 su capacidad admisible es de 12.0
Ton/m².
Figura. 11 Resultados de perforaciones- Capacidad admisible del
estrato.
SUELOPROF. N. F. g F qu g´ Su ó Sd Dsvo sv Estrato svo sv - u
svof qd qa Ng Nq U Ut Dsvo
m. m. t/m3
º t/m² t/m3
t/m2
t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m²
F 0.00 0.00 0.000 0.00 0.00 0.000 0.00 10.66 0.00 0.00 0.00
10.66 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 10.66
F 0.20 0.00 1.855 0.00 18.75 1.855 9.38 10.66 0.37 0.37 0.37
11.03 49.61 24.81 1.00 0 0.00 10.66
F 1.00 0.20 1.869 0.00 6.25 0.869 3.13 10.58 1.50 1.87 1.07
11.65 16.54 8.27 1.00 0.80 0.80 10.58
F 2.00 0.20 1.865 0.00 7.50 0.865 3.75 9.69 1.87 3.73 1.93 11.62
19.85 9.92 1.00 1.00 1.80 9.69
F 2.60 0.20 1.865 0.00 7.50 0.865 3.75 8.23 1.12 4.85 2.45 10.68
19.85 9.92 1.00 0.60 2.40 8.23
G 3.00 0.20 2.031 30.00 0.00 1.031 1.65 7.24 0.81 5.66 2.86
10.10 37.37 12.46 8.00 10.00 0.40 2.80 7.24
G 4.00 0.20 1.992 30.00 0.00 0.992 2.23 5.95 1.99 7.65 3.85 9.81
50.32 16.77 8.00 10.00 1.00 3.80 5.95
G 5.00 0.20 2.212 30.00 0.00 1.212 2.93 4.48 2.21 9.87 5.07 9.55
66.15 22.05 8.00 10.00 1.00 4.80 4.48
G 6.00 0.20 2.212 32.00 0.00 1.212 3.92 3.41 2.21 12.08 6.28
9.69 127.50 42.50 14.00 17.00 1.00 5.80 3.41
G 7.00 0.20 2.205 32.00 0.00 1.205 4.68 2.65 2.21 14.28 7.48
10.14 151.97 50.66 14.00 17.00 1.00 6.80 2.65
SUELOPROF. N. F. g F qu g´ Su ó Sd Dsvo sv Estrato svo sv - u
svof qd qa Ng Nq U Ut Dsvo
m. m. t/m3
º t/m² t/m3
t/m2
t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m² t/m²
F 0.00 0.00 0.000 0.00 0.00 0.000 0.00 10.66 0.00 0.00 0.00
10.66 0.00 0.00 0.00 0.00 0 0 10.66
F 0.20 0.00 1.855 0.00 18.75 1.855 9.38 10.66 0.37 0.37 0.37
11.03 49.61 24.81 1.00 0 0.00 10.66
F 1.00 0.20 1.869 0.00 6.25 0.869 3.13 10.58 1.50 1.87 1.07
11.65 16.54 8.27 1.00 0.80 0.80 10.58
F 2.00 0.20 1.865 0.00 7.50 0.865 3.75 9.69 1.87 3.73 1.93 11.62
19.85 9.92 1.00 1.00 1.80 9.69
F 2.60 0.20 1.865 0.00 7.50 0.865 3.75 8.23 1.12 4.85 2.45 10.68
19.85 9.92 1.00 0.60 2.40 8.23
G 3.00 0.20 2.031 30.00 0.00 1.031 1.65 7.24 0.81 5.66 2.86
10.10 37.37 12.46 8.00 10.00 0.40 2.80 7.24
G 4.00 0.20 1.992 30.00 0.00 0.992 2.23 5.95 1.99 7.65 3.85 9.81
50.32 16.77 8.00 10.00 1.00 3.80 5.95
G 5.00 0.20 2.212 30.00 0.00 1.212 2.93 4.48 2.21 9.87 5.07 9.55
66.15 22.05 8.00 10.00 1.00 4.80 4.48
G 6.00 0.20 2.212 32.00 0.00 1.212 3.92 3.41 2.21 12.08 6.28
9.69 127.50 42.50 14.00 17.00 1.00 5.80 3.41
G 7.00 0.20 2.205 32.00 0.00 1.205 4.68 2.65 2.21 14.28 7.48
10.14 151.97 50.66 14.00 17.00 1.00 6.80 2.65
-
28
Para obtener los datos de capacidad admisible se realizó el
respectivo análisis
a la perforación No3, que fue realizada en el área donde va a ir
situada la
cimentación para el tanque, para la obtención de los datos se
tomaron en cuenta los
parámetros más desfavorables al momento de ejecutar el
proyecto.
-
29
CAPITULO IV
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE CIMENTACIÓN DE ANILLOS DE
HORMIGÓN PARA BASE DE TANQUES
El suelo de fundación del reservorio absorbe la descarga de la
estructura y de
su contenido. Estas descargas ocasionan esfuerzos de contacto
que pueden ser
esfuerzos verticales y esfuerzos horizontales denominándolos
activas y pasivas.
Según el Process Industry Practices Structural (PIP-STE03020,
2005, pág. 9)
para la mayor parte de cimentaciones de recipientes verticales
es apropiado diseñar
y construir un muro anular de hormigón, considerando las
siguientes ventajas,
desventajas y recomendaciones:
Ventajas dadas por el (PIP-STE03020, 2005, pág. 9): 4.1.
Mejor distribución de las cargas concentradas en las paredes
del
reservorio y de la carga sobre el suelo bajo el mismo.
Da a la base del recipiente un nivel más alto con respecto al
nivel de la
plataforma, nivelándolo y protegiéndolo durante la
construcción.
Brinda una superficie sólida y lisa para el montaje de la coraza
del
recipiente.
Confina el relleno bajo la estructura y previene las
posibles
socavaciones o erosión del material.
Disminuye la oxidación y minimiza la humedad en el fondo del
recipiente.
Proporciona una superficie nivelada para la construcción de la
carcasa.
Retiene el relleno debajo del tanque y evita pérdidas debido a
la erosión.
Distribuye bien la carga concentrada del reservorio.
Proporciona la mayor seguridad de cumplir con las tolerancias
de
elevación alrededor de la circunferencia del tanque.
Mejora capacidad de transferir las cargas de la carcasa al suelo
de
soporte.
-
30
Minimiza los asentamientos de bordes y, en consecuencia,
distorsiones
de la carcasa, problemas muy importantes que deben evitarse para
el
funcionamiento sin problemas de tanques con techos
flotantes.
Desventajas dadas por el (PIP-STE03020, 2005, pág. 9): 4.2.
Puede ser costoso, dependiendo de la ubicación.
Puede no ser adecuado para tanques en suelos pobres.
La pared del anillo debe ser reforzado.
Para tanque anclado a la cimentación se requiere un diseño
especial.
Recomendaciones dadas por el (PIP-STE03020, 2005, pág. 9):
4.3.
Preferible usar muro de hormigón para tanques de más de 20 pies
de
diámetro.
También se puede usar para tanques de diámetro pequeño si no
se
requiere anclaje.
Usar en suelos competentes o suelos intermedios preparados
adecuadamente.
El muro de hormigón es la base preferida para los siguientes
casos
a) Todos los tanques grandes.
b) Tanques donde el suelo superficial no es cohesivo, como arena
suelta
c) Tanques donde se anticipa un asentamiento significativo
La pared de concreto descansará sobre el terreno mejorado y
compactado; y
se lo dimensiona de tal forma que la presión de contacto en la
parte inferior, sea
relativamente igual a la presión actuante en el relleno
confinado a la misma
profundidad. (PIP-STE03020, 2005, pág. 10)
El ancho del muro de hormigón no será menor a 30cm. y su centro
de
gravedad deberá coincidir con el diámetro nominal del
recipiente. La profundidad del
muro dependerá de las condiciones del terreno, pero no debe ser
mayor a la altura
del relleno compactado. (PIP-STE03020, 2005, pág. 10)
-
31
Este muro será de hormigón armado y se lo reforzará en forma
continua a lo
largo de toda la circunferencia. Se revisará el acero mínimo
para resistir la presión
lateral del suelo confinado y la sobrecarga del fluido y se lo
compensará con el acero
de refuerzo obtenido del diseño estructural de la cimentación.
(PIP-STE03020, 2005,
pág. 11)
Parámetros a clasificar antes del prediseño de la cimentación en
un 4.4.
tanque metálico de almacenamiento.
Debido a las grandes fuerzas de compresión en la carcasa del
tanque y
sumadas a las fuerzas trasmitidas por los agentes externos como
sismo y viento, el
diseño del anillo es crítico en la etapa de la ingeniería de
detalle, como
procedimiento previo ante la elección del tipo de cimentación en
necesario verificar
tres factores importantes en la funcionabilidad del tanque,
basados en estos
resultados el ingeniero de diseño elegirá la mejor estructura
para su cimentación que
cumpla con todos los requisitos y reglamentos de la norma.
(API-650, 2013)
1. Verificación de los momentos de volteo sísmicos.
2. Verificación de los momentos de volteo por viento.
3. Verificación de la estabilidad y desplazamientos del
tanque.
4.4.1. Verificación de los momentos de volteo sísmico.
De acuerdo al (API-650, 2013), los movimientos sísmicos es uno
de los
peligros al que están expuestas las construcciones. Para tomar
en cuenta el peligro
sísmico, frecuentemente se recurre al uso de espectros de diseño
que dependen,
entre otros aspectos, de la cercanía del sitio a las fuentes
generadoras de temblores
y de las condiciones locales del terreno. Cuando se habla de
estos movimientos,
dentro del diseño de tanques verticales de almacenamiento,
generalmente se
estudian debido a que provocan dos tipos de reacciones sobre el
tanque, las cuales
son:
Los movimientos de baja frecuencia, provocan un movimiento
lateral del
terreno donde está instalado el tanque.
-
32
Los movimientos de alta frecuencia, provocan un movimiento de
masa del
líquido contenido, provocando oleaje dentro del tanque.
Los procedimientos de diseño contenidos en el (API-650, 2013,
págs. E-1) se
basan en un espectro de respuesta amortiguada 5% para el modo
impulsivo y 0,5%
espectros de amortiguamiento para el modo convectivo, ajustado
con las
características del suelo específicas del sitio. Por lo que el
tanque es diseñado para
resistir este fenómeno.
Figura. 12 Momentos de volteo en el tanque vertical.
4.4.1.1. Metodología de cálculo de los momentos por factores
sísmicos.
La metodología a seguirse para el cálculo del equilibrio del
reservorio en
presencia de un sismo es la siguiente:
Se calcula las masas efectivas presentes en el tanque. (API-650,
2013, págs.
E-16)
𝑊𝑖 =𝑡𝑎𝑛ℎ(0,866
𝐷
𝐻𝐿)
0,866𝐷
𝐻𝐿
𝑊𝑝 (Peso de la masa impulsiva)
𝑊𝑐 = 0.230𝐷
𝐻𝐿𝑡𝑎𝑛ℎ (
3,67.𝐻𝐿
𝐷) 𝑊𝑝 (Peso de la masa Convectiva)
Donde:
𝐷 = Diámetro del tanque.
-
33
𝐻𝐿 = Altura del líquido que contiene el tanque.
𝑊𝑝 = Masa efectiva del líquido.
Para determinar las fuerzas sísmicas aplicadas, se calcula las
alturas al
centroide (brazo generador de momento), producido por cada masa
efectiva
presente en el tanque al momento del sismo. (API-650, 2013,
págs. E-17)
𝑋𝑖 = 0.375 𝐻𝐿 (Altura impulsiva)
𝑋𝑐 = [1 −cosh(
3,67𝑥𝐻𝐿𝐷
)−1
3,67𝐻𝐿𝐷
𝑥 sinh(3,67𝐻𝐿
𝐷)] x𝐻𝐿 (Altura convectiva)
La definición del movimiento del suelo considerado en el sitio
de implantación
del proyecto es el primer paso en el análisis de los Parámetros
de Aceleración
y Cargas. Se determinan los coeficientes de aceleración
Impulsivo y
convectivo. (API-650, 2013, págs. E-14)
𝐴𝑖 = 2,5. 𝑄. (𝐼
𝑅𝑤𝑖) 𝑥𝑆𝑎0 (Coeficiente de Aceleración Impulsivo)
𝐴𝑐 = 𝐾. 𝑆𝑑1. (1
𝑇𝑐) (
𝐼
𝑅𝑤𝑐) (Coeficiente de Aceleración Convectivo)
Donde:
𝑄 = Factor de escala del MCE al nivel de diseño de aceleraciones
espectrales;
es igual a 2/3 por ASCE 7.
𝑅𝑤𝑖 = Factor impulsivo de respuesta.
𝑆𝑎0 = Parámetro de aceleración de respuesta espectral en el
periodo cero.
𝐾 = Coeficiente para ajustar la aceleración espectral.
𝑆𝑑1 = Parámetro de aceleración de respuesta espectral en un
segundo.
𝑇𝑐 = Período natural del modo de comportamiento convectivo
(chapoteo) del
líquido.
𝐼 = Factor de Importancia.
𝑅𝑤𝑐 = Coeficiente de reducción de fuerza para el modo convectivo
utilizando
métodos de diseño de tensión permitidos.
Como último paso es la definición del momento de volteo sísmico.
(API-650,
2013, págs. E-20)
𝑀𝑟𝑤 = √[𝐴𝑖(𝑊𝑖𝑋𝑖 + 𝑊𝑠𝑋𝑠 + 𝑊𝑟𝑋𝑟)]2 + [𝐴𝑐(𝑊𝑐𝑋𝑐)]2
-
34
Donde:
𝑊𝑠 = Peso del cuerpo del tanque
𝑋𝑠 = Altura del centro de gravedad del tanque.
𝑊𝑟 = Peso del techo del tanque.
𝑋𝑟 = Altura desde el fondo hasta el techo del tanque
4.4.1.2. Parámetros de aceleración sísmica.
El estándar (API-650, 2013), cuenta con métodos y requerimientos
de la norma
ASCE 7 para la Base de Construcción de Modelos en EE.UU, este
método
considera un movimiento telúrico al cual se lo define, como el
movimiento debido a
un evento con una probabilidad del 2% de excedencia dentro de un
período de 50
años.
Figura. 13 Ecuador, zonas sísmicas para propósitos de diseño y
valor del factor Z. (NEC-SE-DS,
2015).
4.4.1.3. Datos obtenidos del estudio de suelo (ANEXO A)
Se considera el tipo de suelo C para el análisis
sismo-resistente sobre el
reservorio considerando los siguientes valores:
-
35
Tabla 3 Valor de Z en función de la zona sísmica adoptada.
Zona sísmica I II III IV V VI
Valor factor Z 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥ 0.50
Caracterización de la
amenaza sísmica
Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy
alta
(NEC-SE-DS, 2015, pág. 27)
Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd, Fs.
Fa.- Coeficiente de amplificación del suelo en la zona de
periodo corto. Valor
obtenido 1,18 de acuerdo a la siguiente tabla.
Tabla 4 Tipo de suelo y Factores de sitio Fa.
Tipo de perfil del suelo
Zona sísmica y Factor Z
I II III IV V VI
0,15 0,25 0,30 0,35 0,40 ≥0,5
A 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90
B 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
C 1,40 1,30 1,25 1,23 1,20 1,18
D 1,60 1,40 1,30 1,25 1,20 1,12
E 1,80 1,40 1,25 1,10 1,00 0,85
(NEC-SE-DS, 2015, pág. 31)
Fd.- Amplificación de las ordenadas del espectro elástico de
respuesta de
desplazamiento para diseño en roca. Valor obtenido 1,06 de
acuerdo a la tabla:
Tabla 5 Tipo de suelo y Factores de sitio Fd.
Tipo de perfil del suelo
Zona sísmica y Factor Z
I II III IV V VI
0,15 0,25 0,30 0,35 0,40 ≥0,5
A 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90
B 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
C 1,36 1,28 1,19 1,15 1,11 1,06
D 1,62 1,45 1,36 1,28 1,19 1,11
E 2,10 1,75 1,70 1,65 1,60 1,50
(NEC-SE-DS, 2015, pág. 31)
-
36
Fs.- Comportamiento no lineal de los suelos. Valor obtenido 1,23
de acuerdo a
la siguiente tabla.
Tabla 6 Tipo de suelo y Factores el comportamiento inelástico
del subsuelo Fs.
Tipo de perfil del suelo
Zona sísmica y Factor Z
I II III IV V VI
0,15 0,25 0,30 0,35 0,40 ≥0,5
A 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
B 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
C 0,85 0,94 1,02 1,06 1,11 1,23
D 1,02 1,06 1,11 1,19 1,28 1,40
E 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00
(NEC-SE-DS, 2015, pág. 32)
Figura. 14. Coeficientes para cálculo de periodo de vibración.
(NEC-SE-DS, 2015, pág. 62)
-
37
Figura. 15. Periodo límite de vibración en el espectro sísmico
elástico. (NEC-SE-DS, 2015, pág. 34)
Figura. 16. Periodo límite de vibración en el espectro sísmico
elástico. (NEC-SE-DS, 2015, pág. 34)
Figura. 17 Espectro sísmico elástico de aceleración que
representa el sismo de diseño. (NEC-SE-DS,
2015, pág. 33)
-
38
4.4.2. Verificación de los momentos de volteo de viento:
El movimiento lateral de las masas, genera fuerzas que actúan en
el centro de
gravedad del tanque, ocasionando la inestabilidad del conjunto
que multiplicado por
el brazo de palanca respecto al fondo, originan un momento de
volcadura lo que
produce una compresión longitudinal del tanque y como resultado
se genera la
deformación del cuerpo. Por lo que el tanque será diseñado para
resistir este
fenómeno. (API-650, 2013)
4.4.2.1. Metodología de cálculo de los momentos por factores
de
viento.
La metodología a seguirse para el cálculo del momento de volteo
actuantes y
del máximo desplazamiento lateral que podría presentarse en la
estructura producto
de la fuerza amplificada del viento, según (API-650, 2013, págs.
5-10) se establece a
continuación:
Un primer paso en la definición del momento de volteo por la
presión
ejercida del viento, es determinar la velocidad de la ráfaga del
viento que
multiplicado por la raíz cuadrada del factor de importancia se
obtiene
una velocidad de viento corregida. (API-650, 2013, págs.
5-10)
Se determinan las presiones actuantes ejercida por el viento
sobre la
superficie proyectadas del techo y cuerpo respectivamente.
(API-650,
2013, págs. 5-10)
En el caso de la sumatoria de momentos que genera la presión
del
viento sobre la estructura se realiza un diagrama de cuerpo
libre
interactuando con los brazos que trabajan generando momentos
en
cuerpo y techo del tanque. (API-650, 2013, págs. 5-95)
Se calcula la máxima presión de diseño presente en la superficie
de la
estructura y sabiendo que no puede ser inferior a la presión
interna
generada en el tanque se comprueba un balance en el diseño.
(API-650,
2013, págs. F-1)
-
39
4.4.2.2. Parámetros de cargas por viento.
Todos los tanques de almacenamiento se diseñarán y calcularán
para lograr
una estabilidad total. Según (API-650, 2013, págs. 5-10) el
momento de volteo
producido por la constante carga del viento, será considerada
por lo menos 0.86 kPa
(V/190)^2, donde:
La velocidad definida es de 120 Km/h.
Figura. 18 Fa
